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発明の名称 燃料電池のガス供給構造
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−60901
公開日 平成6年(1994)3月4日
出願番号 特願平4−207961
出願日 平成4年(1992)8月4日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鵜沼 辰之
発明者 高橋 宏 / 高島 正 / 大塚 馨象 / 加原 俊樹
要約 目的
内部マニホールド型燃料電池において、各セルへの燃料ガスと酸化剤ガスの流量配分を均一に供給する構造。

構成
単位セルを複数個積層した積層セルスタック1によって形成させるガス給排気用内部マニホールド2,3と、複数のガス供給・排出管7,8を備えたガスヘッダ4,5,6のマニホールドを接続し、前記積層セルスタック1のマニホールド2,3を、上ガスヘッダ4、中間ガスヘッダ6、下ガスヘッダ5まで連通させる。供給流量不均一による流量減少部分と流量増加部分とが重なり合い、各セルに供給されるガスの流量をより均一化できるので電池性能が向上する。
特許請求の範囲
【請求項1】 単位セルの周辺部に燃料ガスと酸化剤ガスの給気及び排気用流路を穿設して内部マニホールドを設けた内部マニホールド型積層セルスタックと、前記内部マニホールドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸化剤ガスを前記積層セルスタックの内部マニホールドに供給及び排出する複数のガスヘッダを具備し、該複数のガスヘッダが上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部ガスヘッダと下部ガスヘッダの間に少くとも1個の中間ガスヘッダを含んでなる燃料電池のガス供給構造において、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層セルスタックの内部マニホールドを連通させていることを特徴とする燃料電池のガス供給構造。
【請求項2】 請求項1において、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドが、マニホールド上下仕切板に該マニホールド上下仕切板を貫通する貫通管を具えていることを特徴とする燃料電池のガス供給構造。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に内部マニホールド型にて各セルへ均一にガスを供給するガス供給構造に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤ガスを単位セルに供給する方式には種々の構造が採用されている。図6は、内部マニホールド型燃料電池の斜視図である。図に示されるように、単位セルを構成するセパレータ11、電解質板13の周辺部に燃料ガス及び酸化剤ガスそれぞれを給排気する流路即ちマニホールドが、通常は前記2種のガスの流れが直交するように穿設されている。単位セルを複数個積層して形成される積層セルスタックに前記2種のガスを供給・排出する場合、その積層セルスタックの上下にガスを供給・排出するためのガスヘッダ4及び5を設ける。ガスヘッダ4、5は通常、ガスヘッダの上あるいは下のいずれか一方に隣接する積層セルスタックにガスを供給する構造となっている。
【0003】しかし、セルの積層数が増加すると積層セルスタックの上下に配したガスヘッダのみでこれらのガスを供給・排出すると、積層セルスタック内に形成されるマニホールド流路内でのガス流速が大きくなり、各セルに均一にガスを供給することが困難になってくる。
【0004】そこで、従来のガス供給構造としては特開昭63−236273号公報にあるように、積層セルスタックの中間に中間ガスヘッダを配設し、上ガスヘッダ及び下ガスヘッダから燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスのいずれか一方のガスを供給し、中間ガスヘッダからその上下にある積層セルスタックに他方のガスを供給する燃料電池のガス供給構造が用いられていた。
【0005】ここで従来の中間ガスヘッダは図7に示すように、積層セルスタック内に形成されているマニホールド部分と一体となって内部マニホールドを構成するマニホールド2、3部分を仕切板6で上下に分割し、中間ガスヘッダの上下に隣接する積層セルにガスを供給する構造となっている。
【0006】燃料ガスを例にとり従来のガスの流れを図5(a)で説明する。図5(a)に示された積層セルスタックは、上ガスヘッダ4及び下ガスヘッダ5で構成された積層群が2段重ねになっている。燃料ガスはガスヘッダ4、5から供給される。酸化剤ガスはガスヘッダ4と5の間に配置された中間ガスヘッダ6から供給されている。上ガスヘッダ4から供給されるガスは給気側マニホールド2aにおいて下向きに流れ、排気側マニホールド3aでは上向きに流れる。また、下ガスヘッダから供給されるガスは前記と逆向きの流れになる。このように、給気側マニホールド2a内と、排気側マニホールド3a内で流れが逆向きになるような構造を反流型のガス供給構造という。
【0007】ここで、燃料ガス及び酸化剤ガスは、セル反応面で体積変化と、組成変化による密度変化が生ずる。燃料ガス側では、給気側マニホールドに比べ、排気側マニホールドを流れるガスは、炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。この結果、従来の反流型ガス給気構造で、燃料ガスを積層セル上方から供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響により、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くなり、下側のセルにはガスが流れにくくなる。また、酸化剤ガス側では、燃料ガスとは逆に、給気側マニホールドに比べ、排気側マニホールドを流れるガスの方が密度が低くなる。この結果、積層下方から酸化剤ガスを供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くなり、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
【0008】また、燃料電池はその性能を向上するために加圧運転を行うが、反応ガスの圧力が高くなると、セルの反応面でのガス流速が小さくなって圧力損失が小さくなり、そのため、流路抵抗による圧力損失に対する密度差の影響が相対的に大きくなり、密度差による不均一分散の度合が燃料電池の加圧運転下で大きくなり、積層セル間での流量分布の不均一度が大きくなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、電池セル内での電気化学反応に伴う反応ガスの各セルの入口と出口での密度変化によって、各セル間での流量分布の不均一さが助長され、その影響は積層セル数が多くなるほど、また、運転圧力が高くなる程大きくなる。本発明の目的は、燃料電池積層スタックの各セルへ配分される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を改善するための燃料電池のガス供給構造を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、単位セルの周辺部に燃料ガスと酸化剤ガスの給気及び排気用流路を穿設して内部マニホールドを設けた内部マニホールド型積層セルスタックと、前記内部マニホールドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸化剤ガスを前記積層セルスタックの内部マニホールドに供給及び排出する複数のガスヘッダを具備し、該複数のガスヘッダが上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部ガスヘッダと下部ガスヘッダの間に少くとも1個の中間ガスヘッダを含んでなる燃料電池のガス供給構造において、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層セルスタックの内部マニホールドを連通していることを特徴とする燃料電池のガス供給構造としたのである。
【0011】前記中間ガスヘッダのマニホールド上下仕切板を貫通する貫通管を具えることでも同様の結果がえられる。
【0012】
【作用】このように構成することにより、本発明によれば次の作用により上記の目的が達成される。◆燃料ガスと酸化剤ガスは、積層セルスタックの上部のガスヘッダと下部のガスヘッダと、両ガスヘッダの間に設置される少くとも1個の中間ガスヘッダを経て供給される。この両ガスにはそれぞれ別の流路が形成されている。
【0013】ガスは、ガスヘッダのマニホールドから積層セルスタックのマニホールドへ流れ込み、そのあとマニホールドから各セルへ分流してゆく。従来は積層セルスタックのマニホールドは中間ガスヘッダで区切られており、1個所のガスヘッダからガスを供給し他の1個所のガスヘッダから排出すると各セルへのガス流量配分が多少不均一となる。ガスはセルで反応したあと、供給側と対称な逆の通路を通り、排出される。
【0014】燃料電池では、供給されたガスは、化学反応によりセルへの供給側と排出側で密度変化を生じるので、上側にあるガスヘッダから下向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配されるガスは、ガスヘッダに近いセルに多く流れ、反対に、下側にあるガスヘッダから上向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配されるときは、ガスヘッダに遠いセルに多くのガスが流れる。従来の技術では、上述した2組のセルグループは他方のガスを供給するガスヘッダのマニホールドで仕切られていたので、流量は不均一になったままであった。
【0015】これに対し、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドの仕切を廃止し積層セルスタックの内部マニホールドを、上から下まで連通させたのである。このようにすることにより、隣合うガス流量の多いセルと少ないセルのマニホールドが連通して、流量配分の不均一さが相殺され、各セルへのガス供給を改善することができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。図1は本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明する断面図であり、図1(a)は図6のAーA´断面したもので、燃料ガスの流れを示し、図1(b)は同様にBーB´断面したもので酸化剤ガスの流れを示している。
【0017】図1(a)及び(b)において、積層セルスタックは単位セルを複数積層した積層セルスタックのブロック1a毎に中間ガスヘッダ6が挿入されている。上部と下部には、下または上いずれか一方のみへガスを流す上ガスヘッダ4、下ガスヘッダ5が配置されている。
【0018】この一実施例では、最下段に下ガスヘッダ5を設け、積層セルスタックのブロック1aを積層し、次に酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ6を設置し、その上にブロック1aを積層したのち、燃料ガス供給用の中間ガスヘッダ6を配置する。さらにその上部へブロック1aと酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ6とブロック1aを積み上げたのち、上ガスヘッダ4を最後に設置してある。これらのガスヘッダにはそれぞれ供給管7a、7bと排出管8a、8bが設けられている。
【0019】図3(a)に、上記実施例で用いられた中間ガスヘッダ6の一構造例を示す。ガスヘッダは燃料電池の運転温度、電解質、燃料ガス、酸化剤ガスの雰囲気に曝されるので化学的に、また積層セルスタックを保持したり、締付るので機械的に、耐えるものでなくてはならないので、材料にはステンレス鋼などが用いられている。このガスヘッダは燃料ガスマニホールド2a及び3aと、酸化剤ガスマニホールド2b及び3bを形成する楕円状のガス通路が、ボックス状外箱を貫通している構造となっている。そして燃料ガス給気管7aと燃料ガス排出管8aが、マニホールド2a及び3aの側面に外部から貫通して設けられている。この中間ガスヘッダ6は燃料ガス用として記載したが、90度水平に回転させれば、酸化剤ガス用になることは明らかである。
【0020】図1(a)に示す燃料ガス側では燃料ガス16が、ガス供給管7aから上ガスヘッダ4、下ガスヘッダ5、中間ガスヘッダ6へ供給される。また、図1(b)の酸化剤ガス側では酸化剤ガス18が、ガス供給管7bから中間ガスヘッダ6へ供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスはそれぞれ給気側マニホールド2a及び2bを通り、各セルに配分される。その際、燃料ガス16及び酸化剤ガス18は図6に示すように、セパレータ11に設けられた溝と電極13とによって形成されるガス流路を通りながら、各単位セルに供給される。燃料ガス16は各セル内ではアノード12で電極反応を生じ、排気側マニホールド3aに達し、排出管8aからセルスタック外に排出される。一方、酸化剤ガス18は燃料ガス16同様に、カソード14で電極反応を生じ、排気側マニホールド3bに達し、排出口8bからセルスタック外に排出される。
【0021】給気側マニホールド2a及び2bと排気側マニホールド3a及び3bは、図1(a)及び(b)に示すように、上ガスヘッダ4から下ガスヘッダ5まで区切りなく連続して形成されている。◆このガス供給構造は上述した反流型ガス供給構造であるので、各セルの反応面のガス流量分布が給気側マニホールド2と排気側マニホールド3を流れるガスの密度変化の影響を受ける。
【0022】ガスの密度変化は次のようにして生じる。◆燃料電池の反応面であるセル流路内では、燃料ガス16及び酸化剤ガス18が、それぞれ数式1、数式2に示す電気化学反応によって体積変化が生じ、さらに、組成変化による密度変化が生ずる。
【0023】
【数1】
燃料ガス側 : H2+CO32~→H2O+CO2+2e~この他反応後も未反応のH2が含まれる。
【0024】
【数2】
酸化剤ガス側: 1/2O2+CO2+2e~→CO32~反応後も未反応のO2が含まれ、また反応前後、空気中のN2が含まれる。
【0025】もし、給気マニホールド2・排気マニホールド3を流れるガス密度が同じであれば、従来の反流型のガス供給構造において、マニホールド内のガスの流れが上向きであっても下向きであっても、積層セル間での流量分布の均一化にとって大きな差はないが、実際の燃料電池においては上記に述べた密度変化があるため、流量分布の均一化に悪影響が生ずる。
【0026】燃料ガス16側では、給気側マニホールド2aに比べ、排気側マニホールド3aを流れるガスは、炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。ガスの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に比較して、およそ2.6程度である。この結果、従来の反流型ガス給気構造で、燃料ガス16を積層セル上方から供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響により、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くなり、下側のセルにはガスが流れにくくなる。積層セル数が増加すると密度差がない場合でも下側セルは上側に比べて流れにくくなるのに、密度差の影響がこれに加わることになり、セル間の流量分布の不均一度がさらに増大する。
【0027】また、酸化剤ガス18側では、燃料ガス16とは逆に、給気側マニホールド2bに比べ、排気側マニホールド3bを流れるガスの方が密度が低くなる。ガスの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に比較しておよそ0.96程度になる。従って、反流型ガス供給構造で、積層下方から酸化剤ガス18を供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くなり、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
【0028】まず、燃料ガス16について考えてみる。任意のガス供給管7aから供給された燃料ガス16は、中間ガスヘッダ6から、その上下にある積層セルによって形成された給気側マニホールド2aに上向きと下向きとに分岐して供給される。
【0029】燃料ガス16が、給気側マニホールド2aにおいて下向き、かつ、排気側マニホールド3aで上向きの流れの場合に、密度変化に伴う対流効果の影響でガス供給管7aよりも下方に位置するセルの流量が減少する。最も流量の減少が顕著となるセルは、ガス供給管7aと下方に隣接する下側ガス供給管7aとの丁度中間点に位置するものである。
【0030】これに対して、前記の下側に隣接するガス供給管7aからの燃料ガス16の流れのように、給気側マニホールド2aにおいて上向き、かつ、排気側マニホールド3aで下向きの流れの場合には、ガス供給管7aの上方に位置するセルの流量が増加する。最も流量の増加が顕著となるセルは、前述の上方のガス供給管7aとの中間点に位置するものとなる。
【0031】従って上述した2個のガス供給管7aの中間に位置するセルは上方からは少ない流量、下方のガス供給管7aからは多い流量のガスが供給されることになる。その結果、ガスの密度変化に伴う対流効果による各セルへのガス流量配分の不均一は、前述のように2個のガス供給管7aにより緩和されるために、各セルに対してより均一にガスを供給することができる。
【0032】一実施例により流量分布の改善された状態を図4に示した。ここで図1(a)と同一の燃料ガス16の流れを示す断面で、図4は各セルを流れる燃料ガス16の流量の大きさを積層方向順に示したものである。2個のガス供給管7aの中間に位置するセルにおいて平均化がみられる。中央部の中間ガスヘッダ6付近にも改善がみられる。
【0033】他の実施例を図2で説明する。図2は本発明の他の実施例の構造とガスの流れを説明する断面図である。図1と同じ断面を示し、図2(a)は燃料ガスの流れを、図2(b)は酸化剤ガスの流れを示している。図で明らかなように、燃料ガス及び酸化剤ガス専用のガスヘッダを設けずに、上、下及び中間のガスヘッダを両ガスに共用としたものである。図3(b)はこの実施例の中間ガスヘッダ6の構造を示すもので、隣合う2辺にガス供給管7とガス排出管8をそれぞれ設けたものである。
【0034】このような構成の場合も、各ガスヘッダの間の積層セルスタック1aはそれぞれ反流型のガス供給構造となり、給気側マニホールド2と排気側マニホールド3とも上部から下部まで連通させることで、前記一実施例と同様な流量分布の改善が期待できる。
【0035】積層セルスタック1aの積層数、中間ガスヘッダ6の挿入個数などは、対象となる燃料電池によりことなるが、本発明はそれらの個数に制限されるものではない。
【0036】燃料電池の出力によっては、図5に示したように、上ガスヘッダ4と下ガスヘッダ5で構成されるユニットを複数積み重ねることがある。このような場合はそのユニットに本発明は適用されるものである。
【0037】また、ガスヘッダ4,5,6の何れかのガス供給管7または排出管8の内の1部に不都合が生じた場合も、本発明によるガス供給構造によれば、流量分布不均一が解消される方向に対流が起こり、各セルに燃料ガス16及び酸化剤ガス18を供給することができるようになる効果がある。
【0038】電極とセパレータに設けられた溝とによって形成されるガス流路はその断面積が微小であるために、積層セルスタック内の流動抵抗の大部分はガス流路の管摩擦損失が占める。これに対して、マニホールド内の管摩擦損失や給気側マニホールドから各セルのガス流路への分岐による損失、各ガス流路から排気側マニホールドへの排ガスの合流による損失、あるいは、ガス流路における反応ガスの消費やガスの生成に伴う電極からガス流路へのガスの吹き出し等の損失は、ガス流路における流れが非常に低速で、レイノルズ数が小さい層流域であるため、全体の流れに影響するような値とはならない。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の各セルに平均化して燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することができるので、積層された各セルの発電性能が平均するので、積層燃料電池の性能が向上するという効果がある。◆また、ガス供給管または排出管の内の1部に不都合が生じた場合も、各セルへガスが供給されるという効果がある。




 

 


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